¿Cuál es la ciencia detrás del movimiento de las aspas de un aerogenerador impulsado por el viento? ¿Cómo definimos lo que ocurre en un complejo hidroeléctrico cuando la fuerza del agua que cae mueve las aspas conectadas a una turbina para generar electricidad? Básicamente, lo que ocurre en cada uno de estos ejemplos son manifestaciones de la energía cinética que, junto con la energía potencial, son formas básicas de energía.
La energía cinética está presente en nuestro día a día y la aplicamos en acciones tan simples como caminar o empujar una puerta para abrirla. Pero también tiene un rol fundamental en el funcionamiento de varios tipos de energías renovables. ¿Cómo funciona y por qué es tan importante esta energía para sustituir definitivamente los combustibles fósiles para generar electricidad?
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¿Qué es la energía cinética?
En primer lugar, es necesario recordar qué es la energía. Básicamente, es la capacidad para generar un cambio o transformar un cuerpo o sistema. Por tanto, cualquier cambio que experimente un cuerpo es el resultado de la aplicación de algún tipo de energía.
En nuestro caso, la energía cinética es la energía producida por el movimiento de los cuerpos. Mientras mayor sea la velocidad adquirida por un objeto, mayor será su energía cinética.
Desde hace siglos, tanto el movimiento como sus causantes y consecuencias, han sido objeto de estudio en el ámbito de la física. Desde la perspectiva de esta ciencia, podemos definir de manera más formal la energía cinética (EC) como el trabajo necesario para cambiar el estado de reposo de un cuerpo, a un estado de movimiento a una velocidad constante. Para ello es indispensable que la masa de dicho cuerpo también se mantenga inalterable en el tiempo.
A los efectos, la EC se mide en jules (julios) y suele representarse en la física con el símbolo Ek. Para calcularla se emplea la fórmula: Ek= ½ m. v², en la que m es la masa (Kg) del objeto y v su velocidad (m/s).
Como ves, en esta clase de energía son esenciales dos variables: la masa y la velocidad. Estas últimas hacen posible la transmisión de la energía que nos ocupa. Cabe destacar que cuando la velocidad de un objeto específico se duplica, la energía cinética generada se cuadruplica.
¿Cómo funciona la energía cinética?
Teniendo en cuenta lo anterior, la energía cinética se genera en el momento en que un cuerpo, con determinada masa, obtiene una velocidad constante. Para ello, es necesario aplicar una fuerza dada, sin importar su mecanismo. Cuando el objeto obtiene cierta energía para moverse, es necesario aplicar la misma cantidad de energía en sentido contrario para frenar su EC.
En realidad, cuando cualquier energía influye sobre el estado de un cuerpo, esta se transforma en otro tipo de energía. Cuando la EC actúa sobre un objeto interactúa con otra energía, la energía potencial (EP), que podemos definir como aquella que almacenan los cuerpos en reposo. Y esta dependerá de la masa y de la posición del objeto. A mayor peso y/o altura, su EP será mayor.
En definitiva, la interacción de la energía cinética y la energía potencial genera la energía mecánica, entendida como aquella que relaciona la posición de un cuerpo con su movimiento.
Un ejemplo clásico de esta interacción es el tiro con arco. Cuando tensamos la cuerda del arco, la fuerza efectuada se almacena en la cuerda estirada como energía potencial. Al soltar la cuerda, la energía potencial de la cuerda se transforma en la energía cinética transferida a la flecha.
¿Qué tipos de energía cinética hay?
De acuerdo con el movimiento que describe el objeto, la energía cinética se clasifica en dos tipos:
- Energía cinética de traslación. Es la que describe el desplazamiento de un cuerpo en una trayectoria lineal, como ocurre con un coche en su recorrido por una carretera.
- Energía cinética de rotación. Es el movimiento que describe un objeto sobre sí mismo, tal como lo realizan los neumáticos del coche. O como lo hace las aspas de un aerogenerador o las palas de una central hidroeléctrica.
¿Por qué la energía cinética es la base de algunas energías renovables?
Como dijimos líneas arriba, la energía cinética está estrechamente ligada al funcionamiento de varias fuentes de energías renovables para la generación de electricidad, entre ellas:
La energía hidroeléctrica
Cuando hablamos de energía hidroeléctrica nos referimos a la generada mediante la transformación de la fuerza del agua en energía eléctrica. Para aprovechar esta fuerza, se construyen infraestructuras de grandes proporciones, capaces de extraer el máximo potencial de este recurso, que es renovable, autóctono y no emite gases de efecto invernadero. Estas obras constan de:
- Una presa de gran altura sobre sus cimientos y amplia longitud de coronación, construida normalmente con hormigón.
- El embalse que es el almacén de agua que retiene habitualmente el cauce de un río hasta cierto nivel.
- La central o edificación donde están emplazados las turbinas y controles para la generación.
Las dos variables que definen la potencia de una central hidroeléctrica son el salto y el caudal del agua. Entonces, lo que hace esta central es transformar en energía eléctrica la diferencia de energía potencial que posee un volumen de agua cuando esta se traslada entre dos puntos ubicados a distintas alturas.
Así, la presa contiene el agua del río para formar el embalse y hacer que el agua adquiera energía potencial. Al abrir la esclusa que retiene el agua, esta cae por una tubería y su energía potencial se convierte en cinética. Una vez que el agua llega a la sala de máquinas, mueve con su masa y la velocidad de su caída las paletas de las turbinas y su energía cinética se transforma en energía mecánica de rotación. Finalmente, el eje de las turbinas está acoplado al de los generadores eléctricos y estos transforman la energía rotatoria en electricidad.
Energía eólica
Podemos obtener energía eólica aprovechando la fuerza del viento. Aunque parezca que el viento carece de masa, en grandes volúmenes puede formar toneladas de cúmulos gaseosos que acumulan enormes cantidades de energía cinética mientras se van desplazando sobre la superficie de la Tierra.
En resumen, las corrientes de aire mueven las aspas de un aerogenerador que genera EC rotatoria por su acoplamiento a un rotor. Este último transforma la energía cinética en mecánica moviendo el generador que transformará la energía mecánica en electricidad.
Energía mareomotriz
Las centrales mareomotrices transforman la energía de las mareas en energía eléctrica. Para ello, es preciso contar con instalaciones submarinas en estuarios, bahías o rías en la que entre la pleamar (máximo nivel del mar) y la bajamar (mínimo nivel del mar) con más de 5 metros de diferencia. Dichas centrales poseen turbinas y alternadores que, mediante el giro de sus aspas y con la propia circulación del agua generan energía eléctrica.
Las centrales mareomotrices más comunes tienen generadores de corriente de marea o TSG. Las mismas emplean la energía cinética del agua que está en constante movimiento. De esta manera, las hélices de las turbinas giran transfiriendo la energía a un generador que la transforma en electricidad.
En Hogar Sostenible queremos que conozcas los fundamentos de la energía sostenible
En Hogar Sostenible esperamos que esta breve disertación sobre la energía cinética y su relación con las energías renovables haya resuelto tus dudas. Con tus comentarios y sugerencias ayudarás a fomentar la necesaria discusión sobre la sostenibilidad tanto en nuestro estilo de vida como en la producción de bienes y servicios.
